La physique des particules et des astro-particules au LAPP - Stage d'observation 3ème - Indico
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La physique des particules et des astro-particules au LAPP Stage d’observation 3ème Edwige Tournefier Mardi 26 novembre 2019
De l’infiniment petit à l’infiniment grand
Recherches menées au LAPP:
• étude des constituants élémentaires
de la matière
la physique des particules
• compréhension de l’évolution de
l’Univers et de sa composition
astro-particules, cosmologie et
ondes gravitationnelles
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La physique des particules, qu’est-ce c’est?
La physique des particules cherche à déterminer
quels sont les constituants élémentaires de la
matière ainsi que les forces qui s’exercent
entre eux
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Force?
• Force = interaction entre deux corps
• Exemple:
– L’une des propriétés de la matière est sa masse
– Deux corps dotés de masse s’attirent:
ils exercent une force l’un sur l’autre
c’est la force de gravitation
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La matière
• Dans l’antiquité:
– matière composée de 4 éléments: eau, terre, air, feu
• 1800-1850:
– On trouve de plus en plus d’éléments simples atomes
• 1869: classification des atomes (Mendeleiev)
• XXème siècle: tous les atomes ont la même structure
• Noyau (Z protons + N neutrons)
• Z électrons « gravitant » autour
du noyau
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L’atome
Électron
(charge -1)
force
-8
10 m électromagnétique
Noyau
(charge +Z)
Deux corps électrisés s’attirent (si charges de signe opposés) ou se repoussent
(si charges de même signe) c’est la force électromagnétique
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Le noyau
Proton (charge +1)
force forte
Neutron (charge 0)
-12
10 m
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Les protons et les neutrons
Proton :
2 quarks « up »
1 quark « down »
force forte
Neutron :
1 quark « up»
-13 2 quarks « down»
10 m
Les quarks ont une masse, une charge électrique et une
« couleur » ( sensible à la force forte)
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Les constituants élémentaires
constituants
élémentaires?
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Les interactions fondamentales
En physique des particules, l’interaction (force) qui s’exerce entre
2 particules élémentaires est décrite comme l’échange d’une
particule messagère entre ces 2 particules.
Le messager de
l’interaction
Échange d’une particule
messagère Portée de
l’interaction
1 de la masse
La portée de l’interaction dépend
de la particule messagère
10-2
10 -6
Notre monde est régi par quatre interactions fondamentales :
Lesquelles ?
27/11/2018 10-38 10Résumé: particules élémentaires et forces
Le Modèle Standard de physique des particules
Matière ordinaire
Messagers des forces:
Les bosons
Boson de Higgs (la masse) H Le briseur de symétrie
27/11/2018 11De l’infiniment grand à l’infiniment petit: la matière noire 27/11/2018 12
James Peeble
28/10/2019 Edwige Tournefier 13Encore un détail: l’anti-matière
L’antimatière:
• Pour chaque particule il existe une anti-particule
de même masse et de charge opposée
- Ex: le positron (e+) est l’antiparticule de l’électron (e-)
• Particule et anti-particule s’annihilent
Où ça?
• Big Bang: autant de matière que d’anti-
matière sont créées
• L’univers que nous observons est formé
de matière
où est passée l’anti-matière?
27/11/2018 14Quelques grandes questions actuelles
• De quoi est constituée la matière noire ?
• Y a-t’il une « énergie noire » ?
• Pourquoi n’observe-t’on pas d'antimatière
dans l’Univers ?
• D’où vient la masse des particules ?
le boson de Higgs ! (2012)
• Existe-t’il d’autres particules très massives ?
• …
27/11/2018 15Comment répondre à ces questions?
On peut par exemple:
• Chercher de nouvelles particules
• Mesurer leurs propriétés
– masse, durée de vie, produits de désintégration,…
• Confronter ces mesures aux prédictions des modèles théoriques
Avec quoi observe-t-on les particules élémentaires?
Oeil nu
accélérateurs microscopes jumelles télescopes
+détecteurs
27/11/2018 16Créer de nouvelles particules: comment?
En 1905, Einstein montre l'équivalence masse-énergie
par sa célèbre équation E = mc2
On peut donc créer de l'énergie à partir de la masse!
Et de la masse (particules lourdes) à partir d’énergie!
27/11/2018 17Un Accélérateur: le LHC
Lieu : CERN (Genève)
Profondeur : 100 m
Circonférence : 27 km
LHC :
Large
Hadron
Collider
grand collisionneur de hadrons
(=protons ou noyaux de Plomb)
Protons accélérés à 99.9999991% de la vitesse de la lumière
27/11/2018 18Comment détecter ces particules?
m+
p+
p p
Proton Proton
e-
K- p
27/11/2018 19Détecter les particules
• Mais les particules dans l’état final sont TRES petites
• Comment va t’on les détecter ?
• Elles interagissent avec la matière!
• Elles interagissent toutes différemment
avec la matière!
Construction de détecteurs spécifiques pour reconstituer le
passage d’une particule et la reconnaitre.
27/11/2018 20Une expérience de physique des particules
Ingrédients:
• Un accélérateur de particules
• Une cible (ou des collisions de particules)
• Un détecteur
Analogie avec une radiographie:
Résultat
27/11/2018 21Exemple: ATLAS au LHC
44m
22m
7000 tonnes
27/11/2018 22A quoi ca ressemble? 27/11/2018 23
Quelles expériences au LAPP? 27/11/2018 24
Recherche de nouvelles particules
Expériences auprès d’accélérateurs (LHC du Cern)…
ATLAS au CERN
7000 tonnes
44m
Le LHC
… ou de réacteurs (ILL,…)
STEREO à l’ILL (Grenoble)
27/11/2018 25Exemple: découverte du boson de Higgs
Le 4 juillet 2012, au CERN par les expériences ATLAS et CMS
ATLAS CMS
27/11/2018 26Asymétrie matière / antimatière
Expériences auprès d’accélérateurs de particules
mesure des propriétés des particules de matière et d’antimatière
LHCb au CERN DUNE à Fermilab (USA)
27/11/2018 27Matière noire et énergie noire
Expériences dans l’espace et télescopes sur terre… mais aussi accélérateurs
AMS sur la station spatiale
Détecter des particules de matière noire internationale
et caractériser la matière noire
AMS
LSST
Construction de LSST au Chili
27/11/2018 28Phénomènes violents de l’Univers
Télescopes et interféromètres laser géants
Détecter les rayons cosmiques et les ondes gravitationnelles
CTA en construction au Chili et à La Palma
Virgo à Pise
27/11/2018 29Exemple: découverte des ondes gravitationnelles
Par LIGO et Virgo en 2016
https://www.youtube.com/watch?v=FlDtXIBrAYE
27/11/2018 30Construction des détecteurs au LAPP 27/11/2018 31
Qui travaille au laboratoire ?
• Des expérimentateurs (35) chercheurs et enseignant-chercheurs
Au sein de grandes collaborations internationales, ils conçoivent, construisent et
interprètent les résultats des expériences.
• Des étudiants (en thèse ou en stage) ( 20)
• Des ingénieurs et techniciens ( 80)
En informatique, électronique et mécanique : ils réalisent les détecteurs.
• Des administratifs ( 10)
Pour effectuer les commandes, gérer, prévoir, communiquer…
27/11/2018 32Construction des détecteurs au LAPP
Les services techniques:
- mécanique
- électronique
- informatique
80 ingénieurs et techniciens
Salle de calcul MUST
27/11/2018 33Et juste à côté : des théoriciens 27/11/2018 34
Applications
Imagerie médicale
Grille de calcul
Hadronthérapie
World Wide Web
27/11/2018 35L’interaction faible
• Exemple: la radioactivité
Radioactivité: phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux
atomiques instables, se transforment spontanément en dégageant de
l'énergie sous forme de rayonnements divers.
Neutron (udd) proton (uud) + e- + e
W = particule médiatrice de l’interaction faible
27/11/2018 36Vous pouvez aussi lire
